Thèse de doctorat : Mécanique et Énergétique : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Science et génie des matériaux : Toulouse 3 : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin des chapitres.

Thèse de doctoral : Sciences pour l'ingénieur : Besançon : 2008. Thèse de doctoral : Sciences pour l'ingénieur : Belfort-Montbéliard : 2008. / Réf. bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Systèmes automatiques : Toulouse, INPT : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 107 réf.

Cette thèse réalisée dans le cadre des projets PIE CNRS AMELI-0Pt et AMEPlas et ANR AMADEUS a regroupé plusieurs entités autour de la thématique des piles à combustible : Dreux Agglomération puis l'Agence Innovation Made In Dreux (MID), le GREMI, le LACCO et initialement l'industriel MHS Equipment. L'objectif de ce travail est l'élaboration par voie plasma et l'optimisation d'électrodes de piles à combustible de type PEMFC et SAMFC dans le but d'obtenir de bonnes performances avec des charges de platine ultra faibles ou sans platine. Le projet a été organisé en quatre étapes : l'étude de la croissance simultanée de platine et de carbone co-pulvérisés par plasma, la dispersion optimale de quantités ultra faibles de catalyseur, le remplacement du platine par un alliage bimétallique à base de palladium, et le dépôt direct du catalyseur sur la membrane par plasma. En utilisant un faisceau synchrotron de rayons X (Synchrotron SOLEIL), en collaboration avec le CRMD, l'étude GISAXS des couches minces Pt-C co-pulvérisés a révélé l'organisation particulière du platine dans ce type de nanostructure. Ces couches minces Pt-C offrent d'excellentes performances (20 kW.gPt-1) avec des charges de platine ultra faibles. Des électrodes PdPt (5 %at Pt) faiblement chargées permettent d'atteindre de bonnes performances en PEMFC quasiment sans platine (12,5 kW.gPd-1 et 250 kW.gPt-1). L'étude de l'activité de catalyseurs PdAu vis-à-vis de l'oxydation du glycérol a révélé l'origine des effets synergiques du palladium et de l'or en milieu alcalin. Le dépôt plasma direct de platine associé ou non au dépôt de carbone sur membrane a été optimisé. Les performances obtenues avec des CCM (Catalyst Coated Membrane) plasma démontrent l'intérêt de ce type d'architecture.

Les piles à combustible (PAC) de type PEMFC permettent d’assurer la conversion d’énergie chimique en énergie électrique en utilisant de l’hydrogène pouvant être produit à partir de sources renouvelables. La catalyse des réactions mises en jeu lors de cette conversion d’énergie nécessite l’utilisation de platine, dont les ressources sont faibles et la production (extraction et raffinage) complexe. De plus, du fait de son prix élevé, ce métal représente une part importante du coût de production des PEMFC. Aujourd’hui, le prix de cette technologie doit être réduit pour qu’elle soit économiquement compétitive et puisse être commercialisée à grande échelle. En outre, les charges en platine dans les électrodes de piles à combustible ne peuvent être réduites significativement sans altération de la performance et de la durabilité de ces systèmes. Donc, le développement d’une filière de recyclage pour assurer la récupération du Pt en fin de vie des PAC pourrait permettre une réduction du coût de production des PEMFC.Cette thèse a consisté à mettre en place une voie de recyclage du platine d’assemblages membrane-électrodes (AME) de PEMFC. Un procédé hydrométallurgique composé des étapes suivantes : (i) lixiviation, (ii) séparation et (iii) récupération du platine a été développé. Différentes alternatives de lixiviation (HCl/H2O2, HCl/HNO3), de séparation (par résine ou solvant), de récupération (sous forme de nanoparticules ou de sel) ont été testées. Le fonctionnement de ces processus de récupération du platine a alors été optimisé à partir de produits modèles (Pt/C et solutions synthétiques). Le choix de ces derniers a ensuite été orienté grâce à une étude d’analyse du cycle de vie (ACV) réalisée à l’échelle de l’AME.Enfin, 76% du platine contenu dans des AME composées de catalyseurs Pt-Co a pu être récupéré. Ce rendement a pu être obtenu après mise en place du procédé composé des étapes suivantes : (i) dissolution du Pt par lixiviation avec le mélange HCl/H2O2, (ii) séparation du cobalt sur résine échangeuse d’ions, (iii) récupération sous forme de nanoparticules par la voie polyol. Les résultats finaux d’ACV ont montré que le recyclage du platine permettrait une nette réduction des impacts environnementaux du cycle de vie d’AME de PEMFC. / The proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) can be used to convert chemical energy into electrical energy using hydrogen which can be produced from renewable sources. Platinum (Pt) is the best catalyst used to perform PEMFC electrochemical reaction catalysis. However Pt resources are low and his production (extraction and refining) is complex. Moreover the platinum price represents an important part of the PEMFC stack cost. Nowadays this technology is too expensive to be competitive with conventional energy conversion systems, and cannot be commercialized at a large scale. In addition, PEMFC electrode platinum loading could not be reduced without affecting the system performance and durability. Thus PEMFC production cost could be reduced by recovering platinum from used fuel cells.The main goal of this thesis was to develop a platinum recovery way from fuel cells membrane electrodes-assemblies (MEAs). In order to achieve this objective the following steps were combined in a hydrometallurgical process: (i) leaching, (ii) separation, (iii) recovery. Several alternatives were tested for each step: leaching (HCl/H2O2, HCl/HNO3), separation (resin or solvent), and platinum recovery (as nanoparticles or as a complex). These platinum recovery steps were optimized using Pt/C catalysts and synthetic solutions. Then life-cycle analysis (LCA) methodology has been used to help with the process selection.Finally, about 76% of the platinum contained in multi-metallic catalysts (PtCo/C) MEAs has been recovered. The following path has been followed in this case: (i) dissolution in HCl/H2O2 solution, (ii) separation from cobalt with an ion exchange resin, (iii) recovery has nanoparticles using the polyol process. The LCA study final results showed that a significant reduction of PEMFC MEA life-cycle environmental impact could be achieved by recycling Pt at these systems end-of-life.

Cette thèse propose une approche de modélisation de la dégradation chimique par attaque radicalaire de la membrane dans les piles à combustibles à membrane électrolyte polymère, ainsi que à son impact sur la dégradation de la performance électrochimique. La membrane considérée dans cette étude est de type perfluorosulfonique, avec une structure dépen-dant fortement de son humidification et conditionnant les propriétés de transport. Afin d'étudier la dégradation de la membrane, il faut dans un premier temps établir un modèle de transport, qui sera utilisé aussi bien dans le modèle de dégradation que par les modèles de performance de cellule déjà existants. Une fois ce modèle établi, nous nous focalisons sur la partie dégradation chimique. Après une compréhension globale des phénomènes physico-chimiques se déroulant lors de la dégradation, une mise en équation détaillée est nécessaire. Même les concepts utilisés sont relativement simples, le besoin de nombreux paramètres nous a contraint à simplifier le modèle sur certains points, notamment le mécanisme de dégradation chimique, tant la complexité du phénomène est un frein à la paramétrisa-tion du modèle. Ce modèle, avec ses simplifications et ses hypothèses, est ensuite validé, aussi bien d'un point de vue performance que d'un point de vue dégradation. Il est pour finir exploité dans différents cas de figures, allant de l'utilisation ininterrompue à courant constant (test purement utilisé en laboratoire) à un cyclage plus représentatif de conditions de fonctionnement réelles. / This thesis proposes a modeling approach of the chemical degradation by radcals attack of the mem-brane in polymer electrolyte membrane fuel cells, as well as its impact on the electrochemical per-formance degradation. The work considers a perfluorosulfonated acid type membrane. Its structure is strongly influenced by humidification, which also impacts the transport properties of mass and charge within the membrane. In order to study the degradation of the membrane, we first established a multi-species transport model for protons, water, and dissolved gases, radicals and ions. We then included detailed chemical reaction mechanisms of hydrogen peroxide formation, hydrogen peroxide decompo-sition, and radical attack of the membrane. Finally, a feedback between degradation, structure, and performance was established. Parameters were identified and the model was validated using literature experimental data both under performance and degradation aspects. The model was then exploited under different conditions, from pure laboratory conditions (constant current kept over a long time) to working conditions which are more representative of the use of a PEMFC for stationary applications (performance cycles).

Une inquiétude majeure de notre société moderne est de fournir de l’énergie à une demande mondiale toujours croissante. Les énergies alternatives sont alors un domaine de recherche stimulant et stimulé. Comme technologie prometteuse, les piles à combustible comportant une membrane conductrice de protons montrent des résultats encourageants en simulation et en laboratoire. Ces membranes sont souvent composées de polymères perfluorés, comme le Nafion\textsuperscript{\textregistered}, malgré leur coût et leur faible efficacité à haute température. Une meilleure compréhension de leurs propriétés intrinsèques mènerait à des indices vers de nouvelles membranes stables thermiquement, chimiquement, et plus efficaces. Cette étude concerne alors la simulation de membranes composées de Nafion\textsuperscript{\textregistered} à différents taux d’hydratation. Une des problématiques mentionnées précédemment concerne l’efficacité des membranes à faible taux d’hydratation. La conductivité du Nafion\textsuperscript{\textregistered} décroît fortement lorsque peu de molécules d’eau sont présentes dans le matériau. Ce fait est directement lié aux états de l’eau. En effet, les molécules présentes en faible concentration ne se comportent pas comme l’eau en \textit{bulk} (ex.: un verre d’eau). Celles-ci sont fortement liées au groupement chimique sulfonique, ce qui réduit leur mobilité et, par ailleurs, leur capacité de conduire des protons. À plus haute concentration en eau dans la membrane, trois autres états apparaissent: l’eau normale, un état intermédiaire et l'eau liée au groupement d'acide sulfonnique. La conductivité de la membrane augmente donc drastiquement lorsque la prise d’eau de la membrane atteint un seuil critique. Une fraction élevée d’eau à l'état normale dans une membrane est alors corrélé à une meilleure efficacité de cette dernière. Par ailleurs, ceci explique pourquoi le Nafion\textsuperscript{\textregistered} trône au sommet du palmarès pour les matériaux solides conducteurs: en comparaison avec les autres matériaux, ce polymère perfluoré possède plus d’eau à l'état normal (pour un taux d’hydratation constant). Les résultats font alors objet de l’identification des états de l’eau dans un matériau simulé. Dans un premier temps, la quantification des pourcentages relatifs des états de l’eau au sein d’une membrane perfluorée a été faite. L’état le plus important est l’eau libre, où cette quantité dans une membrane est corrélée avec la conductivité de celle-ci. La performance de cette dernière est alors reliée à l’eau libre qu’elle contient. Pour confirmer les bonnes définitions employées, les molécules d’eau sont alors soumises à des tests pour sonder leur déplacement et rotation dans l’espace. Les données calculées sont ensuite comparées à des expériences en calorimétrie différentielle à balayage, résonance magnétique nucléaire du proton et spectroscopie d’impédance électrique. La validation des résultats étant faite, le transfert des connaissances aux polymères dérivés du norbornène peut être accompli. Ces nouvelles connaissances seront la clé pour l’élaboration d’une procédure de simulation à la prédiction de nouveaux matériaux. Les perspectives à court terme englobent l’étude de différents dérivés du norbornène. Les composés les plus prometteurs seront communiqués à des chimistes spécialistes en synthèse de matériaux fonctionnels. [Symboles non conformes]

Cette thèse réalisée dans le cadre des projets PIE CNRS AMELI-0Pt et AMEPlas et ANR AMADEUS a regroupé plusieurs entités autour de la thématique des piles à combustible : Dreux Agglomération puis l’Agence Innovation Made In Dreux (MID), le GREMI, le LACCO et initialement l’industriel MHS Equipment. L’objectif de ce travail est l’élaboration par voie plasma et l’optimisation d’électrodes de piles à combustible de type PEMFC et SAMFC dans le but d’obtenir de bonnes performances avec des charges de platine ultra faibles ou sans platine. Le projet a été organisé en quatre étapes : l’étude de la croissance simultanée de platine et de carbone co-pulvérisés par plasma, la dispersion optimale de quantités ultra faibles de catalyseur, le remplacement du platine par un alliage bimétallique à base de palladium, et le dépôt direct du catalyseur sur la membrane par plasma. En utilisant un faisceau synchrotron de rayons X (Synchrotron SOLEIL), en collaboration avec le CRMD, l’étude GISAXS des couches minces Pt-C co-pulvérisés a révélé l’organisation particulière du platine dans ce type de nanostructure. Ces couches minces Pt-C offrent d’excellentes performances (20 kW.gPt-1) avec des charges de platine ultra faibles. Des électrodes PdPt (5 %at Pt) faiblement chargées permettent d’atteindre de bonnes performances en PEMFC quasiment sans platine (12,5 kW.gPd-1 et 250 kW.gPt-1). L’étude de l’activité de catalyseurs PdAu vis-à-vis de l’oxydation du glycérol a révélé l’origine des effets synergiques du palladium et de l’or en milieu alcalin. Le dépôt plasma direct de platine associé ou non au dépôt de carbone sur membrane a été optimisé. Les performances obtenues avec des CCM (Catalyst Coated Membrane) plasma démontrent l’intérêt de ce type d’architecture. / This research work has been achieved in the context of the PIE CNRS AMELI-0Pt and AMEPlas and ANR AMADEUS projects and has gathered several entities around the Fuel Cell research: Dreux Agglomération and Agence Innovation Made In Dreux (MID), the French national research laboratories GREMI and LACCO and initially the company MHS Equipment. The project aims at developing and optimising fuel cell electrodes (anode and cathode) for PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) and SAMFC (Solide Alkaline Membrane Fuel Cell) entirely by plasma in order to reach effective performances with ultra low platinum loadings or none at all. The project was divided into four stages: the study of the simultaneous growth of platinum and carbon co-sputtered by plasma, the optimum dispersion of a very small amount of catalysts, the replacement of platinum by a palladium based bimetallic alloy, and the direct deposition of the catalyst on the polymer membrane by plasma sputtering. By using an X-ray synchrotron beam light source (SOLEIL Synchrotron), in collaboration with the CRMD, the GISAXS study of co-sputtered Pt-C thin films has revealed the particular organisation of platinum inside this type of nanostructure. These Pt-C thin films offer excellent performances (20 kW.cm-2) with ultra low platinum amounts. Low loaded PdPt (5 %at Pt) electrodes offered good performances almost without platinum (12,5 kW.gPd-1 et 250 kW.gPt-1). The study of the activity of PdAu catalysts (plasma sputtered) on the glycerol electro-oxidation revealed the origin of the synergistic effects of palladium and gold in an alkaline medium. The direct plasma deposition of platinum associated or not with carbon deposition on membrane has been optimised. The performances of the plasma prepared CCM (Catalyst Coated Membrane) demonstrate the potential of this type of architecture.

La pile à combustible a suscité une attention croissante en tant que solution de rechange écologique aux carburants fossiles. Les membranes échangeuses d’ions (PEM)s sont utilisées dans des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) et des piles à combustible directes au méthanol (DMFC) comme composant séparateur pour fournir une barrière au transfert de carburant entre les électrodes et pour transférer des protons de l'anode à La cathode. Les PEMFC et les DMFC suscitent des intérêts plus particuliers pour l'utilisation dans les applications automobiles, stationnaires et électroniques portables. En tant que composante clé d’une PEMFC, une PEM est nécessaire pour effectuer des fonctions multiples telles que la séparation de gaz, l'isolation électrique et le transfert ionique pour transporter des protons de l'anode à la cathode. La présence d'eau dans une PEM est essentielle pour que les polymères traditionnels sulfonés transfèrent les protons et facilitent la conductivité protonique. Comme le Nafion, la conduction protonique des polymères de type PEM sulfonés dépend de le teneur en eau dans les membranes. Cependant, une absorption excessive d'eau dans une PEM conduit à un changement dimensionnel inacceptable, à une mésadaptation dimensionnelle avec les électrodes, à une délamination des couches de catalyseur de la PEM et à une perte des propriétés mécaniques, ce qui pourrait conduire à une mauvaise performance ou un manque de durabilité de l'assemblage membrane – électrode (MEA). En tant que systèmes hautement intégrés, les piles à combustible sont faites de matériaux hétérogènes comportant contenant du gaz, du liquide et du solide. Les MEA sont typiquement fabriqués par collage d'électrodes de catalyseur de platine supporté sur du carbone sur l'électrolyte PEM, en utilisant un ionomère de type Nafion liant du catalyseur, quel que soit la PEM utilisée. La structure et l'activité des différentes interfaces, l'adhérence et la compatibilité entre les différentes couches ainsi que les caractéristigues du carburant jouent des rôles clés sur la performance globale de la pile à combustible. Parmi ces questions diverses, le transfert inévitable de méthanol dans une PEM, telle que le Nafion, limite les applications en DEMFC. Malgré le développement de nombreuses PEM à base d'hydrocarbures en tant que substituts au Nafion, le comportement de surface et l'adaptation / compatibilité interfaciale entre ce type de PEM et les autres couches est moins bien compris. Dans cette thèse, nous... / The fuel cell has received attention as a promising eco-friendly alternative energy source to fossil fuels. Polymer exchange membrane fuel cells (PEMFCs) and direct methanol fuel cells (DMFCs) have attracted increasing interest for use in motor vehicles and electronic applications including stationary and portable devices. As a key component of PEMFC and DMFC, PEM is required to perform multiple functions such as fuel separator, electrical insulator and ionic path to transport protons from the anode to the cathode. The presence of water in PEM is essential for traditional, sulfonated polymers to transfer protons and to facilitate proton conductivity. As Nafion, the proton conduction of the sulfonated PEM-type polymers depends upon the water content in the membranes. However, excessive water uptake in a PEM results in unacceptable dimensional change, dimensional mismatch with the electrodes, delaminating of catalyst layers from the PEM and loss of mechanical properties, which could result in poor membrane electrode assembly (MEA) performance or durability. As a highly integrated system, fuel cells are used in a heterogeneous environment containing gas, liquid, and solid. Typically, MEAs are constructed by bonding carbonsupported platinum catalyst electrodes onto the PEM electrolyte. Regardless of the PEM used, a Nafion-type ionomer is usually employed as a catalyst support. The structure and activity at the different interfaces, the adhesion and compatibility among various layers, as well as fuel property on PEM play key roles on the fuel cell universal performance as vital as the individual components. Among these heterogeneous concerns, crossover of methanol in PEM, such as Nafion, limits DEMFC applications. In spite of the development of numerous hydrocarbon PEMs as substitutes to Nafion, the surface behavior and interfacial match between a PEM and the other layers, such as, the interface between a PEM and gas diffusion layer/catalyst layer/methanol layer are less understood. In this thesis, the surface/interface behavior of a representative selection of hydrocarbon-based proton exchange membranes (PEMs) was investigated. These PEMs are: copolymerized sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK-HQ), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone) (Ph-SPEEK), sulfophenylated poly(aryl ether ether ketone ketone) (Ph-m-SPEEKK), and sulfonated poly (aryl ether ether nitrile) (SPAEEN-B).